I materiali sono classificati come conduttori, isolanti e semiconduttori in base alle loro proprietà di conduzione elettrica. Ogni materiale è costituito da molecole che a loro volta sono costituite da atomi. Quando sottoposti a campo elettrico, questi atomi nel materiale subiscono determinati spostamenti e cambiamenti nelle proprietà. Nell'ottobre 1745, un esperimento condotto dal tedesco Ewald Georg von Kleist collegando un generatore elettrostatico ad alta tensione a un volume di acqua raccolta in un barattolo a mano usando un filo mostrò che la carica può essere immagazzinata. Utilizzando questo fenomeno, Pieter van Musschenbroek ha inventato il primo condensatore chiamato 'Leyden Jar'. La nuova proprietà del materiale che supportava questa invenzione era 'Dielettrico'.
Cos'è il dielettrico?
Ogni materiale è costituito da atomi. Gli atomi contengono particelle caricate sia negativamente che positivamente. Il nucleo centrale dell'atomo è caricato positivamente. In qualsiasi materiale, gli atomi sono disposti come dipoli rappresentato con una carica positiva e una negativa all'estremità. Quando questi materiali sono soggetti al campo elettrico, si verifica un momento di dipolo.
Un materiale conduttore inizia a condurre quando viene applicata l'elettricità. Un isolante si oppone al flusso di elettricità poiché non ha elettroni liberi in movimento nella sua struttura. Ma il dielettrico è un tipo speciale di isolante che non conduce elettricità ma si polarizza se sottoposto a elettricità.
Polarizzazione in dielettrica
Nei materiali dielettrici, quando sottoposti al campo elettrico, le cariche positive presenti nel materiale vengono spostate nella direzione del campo elettrico applicato. Le cariche negative vengono spostate nella direzione opposta al campo elettrico applicato. Questo porta alla polarizzazione dielettrica. Nel materiale dielettrico, le cariche elettriche non fluiscono attraverso il materiale. La polarizzazione riduce il campo complessivo del dielettrico.
Proprietà del dielettrico
Il termine dielettrico è stato introdotto per la prima volta da William Whewell. È la combinazione di due parole: 'Dia' e 'elettrico'. La conducibilità elettrica di un dielettrico perfetto è zero. Un dielettrico immagazzina e dissipa l'energia elettrica in modo simile a un condensatore ideale. Alcune delle proprietà principali di un materiale dielettrico sono la suscettibilità elettrica, la polarizzazione dielettrica, la dispersione dielettrica, il rilassamento dielettrico, la sintonizzazione, ecc ...
Suscettibilità elettrica
La facilità con cui un materiale dielettrico può essere polarizzato quando sottoposto a un campo elettrico viene misurata dalla suscettibilità elettrica. Questa quantità determina anche la permeabilità elettrica del materiale.
Polarizzazione dielettrica
Un momento di dipolo elettrico è una misura della separazione della carica negativa e positiva nel sistema. La relazione tra il momento di dipolo (M) e il campo elettrico (E) dà origine alle proprietà del dielettrico. Quando il campo elettrico applicato viene rimosso, l'atomo torna al suo stato originale. Ciò avviene in maniera esponenziale. Il tempo impiegato dall'atomo per raggiungere il suo stato originale è noto come tempo di rilassamento.
Polarizzazione totale
Ci sono due fattori che decidono la polarizzazione del dielettrico. Sono la formazione del momento di dipolo e il loro orientamento rispetto al campo elettrico. In base al tipo di dipolo elementare può esserci polarizzazione elettronica o polarizzazione ionica. Polarizzazione elettronica Pesi verifica quando le molecole dielettriche che formano il momento di dipolo sono composte da particelle neutre.
Polarizzazione ionica Pioe la polarizzazione elettronica sono entrambi indipendenti dalla temperatura. Momenti di dipolo permanenti sono prodotti nelle molecole quando c'è una distribuzione asimmetrica di carica tra diversi atomi. In questi casi, la polarizzazione orientativa Poè osservato. Se una carica libera è presente nel materiale dielettrico porterebbe alla polarizzazione della carica spaziale PS. La polarizzazione totale del dielettrico coinvolge tutti questi meccanismi. Quindi la polarizzazione totale del materiale dielettrico è
PTotale= Pio+ Pe+ Po+ PS
Dispersione dielettrica
Quando P è la massima polarizzazione raggiunta dal dielettrico, trè il tempo di rilassamento per un particolare processo di polarizzazione, il processo di polarizzazione dielettrica può essere espresso come
P (t) = P [1-exp (-t / tr)]
Il tempo di rilassamento varia a seconda dei diversi processi di polarizzazione. La polarizzazione elettronica è molto rapida seguita dalla polarizzazione ionica. La polarizzazione dell'orientamento è più lenta della polarizzazione ionica. La polarizzazione della carica spaziale è molto lenta.
Ripartizione dielettrica
Quando vengono applicati campi elettrici più elevati, l'isolante inizia a condurre e si comporta come un conduttore. In tali condizioni, i materiali dielettrici perdono le loro proprietà dielettriche. Questo fenomeno è noto come guasto dielettrico. È un processo irreversibile. Ciò porta al guasto dei materiali dielettrici.
Tipi di materiale dielettrico
I dielettrici sono classificati in base al tipo di molecola presente nel materiale. Esistono due tipi di dielettrici: dielettrici polari e dielettrici non polari.
Dielettrici polari
Nei dielettrici polari, il centro di massa delle particelle positive non coincide con il centro di massa delle particelle negative. Qui esiste il momento di dipolo. Le molecole hanno una forma asimmetrica. Quando viene applicato il campo elettrico, le molecole si allineano con il campo elettrico. Quando il campo elettrico viene rimosso, si osserva il momento di dipolo casuale e il momento di dipolo netto nelle molecole diventa zero. Esempi sono H2O, CO2, ecc ...
Dielettrici non polari
Nei dielettrici non polari, il centro di massa delle particelle positive e delle particelle negative coincidono. Non c'è momento di dipolo in queste molecole. Queste molecole hanno una forma simmetrica. Esempi di dielettrici non polari sono H2, N2, O2, ecc ...
Esempi di materiale dielettrico
I materiali dielettrici possono essere solidi, liquidi, gas e vuoto. I dielettrici solidi sono molto utilizzati nell'ingegneria elettrica. Alcuni esempi di dielettrici venduti sono porcellana, ceramica, vetro, carta, ecc… L'aria secca, l'azoto, l'esafluoruro di zolfo e gli ossidi di vari metalli sono esempi di dielettrici gassosi. Acqua distillata, olio per trasformatori sono esempi comuni di dielettrici liquidi.
Applicazioni del materiale dielettrico
Alcune delle applicazioni dei dielettrici sono le seguenti:
- Questi sono usati per lo stoccaggio di energia in condensatori .
- Per migliorare le prestazioni di un dispositivo semiconduttore, vengono utilizzati materiali dielettrici ad alta permittività.
- I dielettrici sono utilizzati in Display a cristalli liquidi.
- Il dielettrico ceramico viene utilizzato nell'oscillatore del risonatore dielettrico.
- I film sottili di titanato di bario stronzio sono dielettrici utilizzati nei dispositivi sintonizzabili a microonde che forniscono un'elevata sintonizzabilità e una bassa corrente di dispersione.
- Il parilene viene utilizzato nei rivestimenti industriali funge da barriera tra il supporto e l'ambiente esterno.
- In elettrico trasformatori , gli oli minerali sono usati come dielettrico liquido e aiutano nel processo di raffreddamento.
- L'olio di ricino viene utilizzato nei condensatori ad alta tensione per aumentare il suo valore di capacità.
- Gli elettreti, un materiale dielettrico appositamente elaborato, agisce come equivalente elettrostatico ai magneti.
Domande frequenti
1). Qual è l'uso del dielettrico nei condensatori?
I dielettrici utilizzati nel condensatore aiutano a diminuire il campo elettrico che a sua volta diminuisce la tensione aumentando così la capacità.
2). Quale materiale dielettrico è ampiamente utilizzato nei condensatori?
Nei condensatori sono ampiamente utilizzati materiali dielettrici come vetro, ceramica, aria, mica, carta, film plastico.
3). Quale materiale ha la più alta rigidità dielettrica?
Si nota che un vuoto perfetto ha la massima rigidità dielettrica.
4). Tutti gli isolanti sono dielettrici?
No, sebbene i dielettrici si comportino come isolanti, non tutti gli isolanti sono dielettrici.
Pertanto, i dielettrici costituiscono una parte importante dei condensatori. Un buon materiale dielettrico dovrebbe avere una buona costante dielettrica, rigidità dielettrica, basso fattore di perdita, stabilità alle alte temperature, elevata stabilità di conservazione, buona risposta in frequenza e dovrebbe essere modificabile per i processi industriali. Anche i dielettrici svolgono un ruolo fondamentale nei circuiti elettronici ad alta frequenza. La misurazione delle proprietà dielettriche del materiale fornisce informazioni sulle sue caratteristiche elettriche o magnetiche. Cos'è una costante dielettrica?
